貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張吉婷
基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
貴陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張吉婷
隨著微處理器技術(shù)、電力電子技術(shù)、電機(jī)制造技術(shù)和現(xiàn)代控制理論的發(fā)展,交流伺服系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣。本文控制電路的核心為TMS320F2812,功率驅(qū)動(dòng)電路的核心為FSBB20CH60,完成了交流伺服系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì),包括電流采樣及故障保護(hù)在內(nèi)的硬件部分電路,具備了設(shè)計(jì)合理、結(jié)構(gòu)緊湊、控制精確等優(yōu)點(diǎn)。
交流伺服系統(tǒng);數(shù)字信號(hào)處理器;采樣電路;故障檢測(cè)保護(hù)
隨著微處理器技術(shù)和伺服技術(shù)的迅猛發(fā)展,伺服驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)入了交流全數(shù)字式的時(shí)代。本文設(shè)計(jì)了基于TMS320F2812為控制核心的交流伺服控制系統(tǒng),為今后對(duì)交流伺服系統(tǒng)的深入研究打下基礎(chǔ)。
交流伺服控制系統(tǒng)主要由主控制電路、啟動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路、故障信號(hào)邏輯保護(hù)電路、I/O接口電路、供電電路等部分組成,如圖1所示。
圖1 交流伺服系統(tǒng)硬件框圖
圖2 系統(tǒng)啟動(dòng)電路圖
2.1 TMS320F2812處理器
TMS320F2812(簡(jiǎn)稱DSP2812)是TI公司推出的基于TMS320C28×內(nèi)核的高性能32位定點(diǎn)數(shù)字信號(hào)處理器,它專門為電機(jī)控制設(shè)計(jì)[2]。其特點(diǎn)主要有:低功耗、處理數(shù)據(jù)速度快、內(nèi)存容量大還有多樣化的數(shù)據(jù)接口等。
在圖1中,TMS320F2812控制器主要負(fù)責(zé)控制模、數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換,對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè),通過PID控制來調(diào)節(jié)電流和速度。驅(qū)動(dòng)智能功率模塊(IPM)時(shí),控制器利用空間矢量算法得到PWM控制信號(hào)后,經(jīng)由光耦傳感電路驅(qū)動(dòng)IPM。
系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障時(shí),檢測(cè)電路檢測(cè)到故障信號(hào)后立即傳遞給控制器,可以立即處理故障信號(hào),并封鎖PWM控制信號(hào)的輸出,實(shí)現(xiàn)保護(hù)作用。
圖3 電流采樣電路圖
圖4 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路圖
2.2 基于FSBB20CH60的功率模塊
FSBB20CH60是飛兆公司設(shè)計(jì)開發(fā)的智能功率模塊(IPM)。該模塊熱阻極低,采用600V-15A三相IGBT逆變器,內(nèi)置門極驅(qū)動(dòng)和功率器件保護(hù)用控制集成電路,提供了無需光耦的單電源IGBT門極驅(qū)動(dòng)能力[3]。
2.3 啟動(dòng)電路
為避免電路剛啟動(dòng)時(shí)有很大的瞬時(shí)電流,減少對(duì)功率驅(qū)動(dòng)部分的沖擊,設(shè)計(jì)了啟動(dòng)電路。在電路通電時(shí),通過光耦元件的關(guān)斷和繼電器動(dòng)作時(shí)的體現(xiàn)的繼電特性來緩沖對(duì)電路的沖擊,如圖2所示。
2.4 信號(hào)檢測(cè)單元設(shè)計(jì)
信號(hào)檢測(cè)電路是交流伺服控制系統(tǒng)的閉環(huán)控制必不可少的環(huán)節(jié),是控制系統(tǒng)的電流和速度信號(hào)反饋回路。本硬件設(shè)計(jì)的信號(hào)檢測(cè)單元主要有電流采樣電路、永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)速檢測(cè)等電路。
2.4.1 電流采樣電路
為了簡(jiǎn)化采樣過程,交流永磁同步電機(jī)定子電流信號(hào)的采集可以充分利用自身聯(lián)接的特點(diǎn)來進(jìn)行。采用星形接法時(shí),要得到三相定子電流信號(hào)只需要利用電流傳感器采集定子三相電流中的兩相即可。采集到定子電流信號(hào)之后,傳感器輸出采樣電流信號(hào),轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),最后輸出到DSP2812的模/數(shù)轉(zhuǎn)換部分進(jìn)行算法控制,如圖3所示。
2.4.2 轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路
在伺服控制系統(tǒng)在運(yùn)行過程中,為實(shí)時(shí)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)速是否正常,防止電機(jī)轉(zhuǎn)速失常引起損壞的現(xiàn)象,需要實(shí)時(shí)檢測(cè)獲知轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速信息。在速度控制時(shí),進(jìn)行矢量控制算法運(yùn)算,通過采集位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)速計(jì)算。
本系統(tǒng)采用了自帶增量式光電編碼器的永磁電機(jī)進(jìn)行位置檢測(cè),并采用衰減小、抗干擾能力強(qiáng)的TTL方波長(zhǎng)線差分驅(qū)動(dòng)方式,可傳輸較遠(yuǎn)的距離[4]。編碼器信號(hào)通過長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器SN75175D將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單路信號(hào)傳入DSP。如圖4所示。
2.5 故障檢測(cè)和保護(hù)單元設(shè)計(jì)
2.5.1 過壓失壓保護(hù)電路
過壓失壓保護(hù)電路實(shí)時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)中電壓信號(hào)的狀態(tài)。當(dāng)電壓出現(xiàn)異常時(shí)該電路立即將故障信息傳遞給控制器,從而及時(shí)處理,實(shí)現(xiàn)保護(hù)系統(tǒng)安全。
2.5.2 故障保護(hù)電路
檢測(cè)電路檢測(cè)到異常的電流或電壓信號(hào)時(shí),立刻傳遞給控制器進(jìn)行處理。產(chǎn)生的所有的故障保護(hù)信號(hào),經(jīng)光耦元件隔離干擾信息后,通過與門的邏輯運(yùn)算判斷出高低電平再輸出到DSP。PWM信號(hào)立刻封鎖,保護(hù)整個(gè)系統(tǒng)。所有的故障信號(hào)低電平有效,正常情況下均處于高電平狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生故障時(shí)PDPINTA引腳電平被拉低,所有PWM輸出都被置為高阻狀態(tài),保障系統(tǒng)安全。統(tǒng)具有廣泛的實(shí)用價(jià)值,非常適合應(yīng)用于電機(jī)控制領(lǐng)域。
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本文在設(shè)計(jì)的以TMS32F2812為核心的交流伺服控制系
張吉婷(1987—),女,貴州貴陽(yáng)人,碩士研究生,研究方向:嵌入式系統(tǒng)。